در یک تقسیم بندی پایدارسازی خاک را می توان به دو شیوه انجام داد. الف: پایدارسازی ازدرون خاک. ب: پایدارسازی با استفاده از المان های خارج از خاک. تکنیک هایی مشابه میخکوبی، انکراژ، ستون سنگی و تزریق از جمله روش های پایدارسازی خاک از درون خاک می باشد.  تکنیک هایی مشابه استرات (مهار متقابل)، شمع، شیت پایل و خرپا از جمله روش های پایدارسازی خاک با استفاده از المان های خارج از خاک می باشند. مهمترین ضعف روش های پایدارسازی با استفاده از المان های خارج از خاک را می توان به اشغال فضای کارگاه توسط المان های سازه نگهبان مرتبط دانست. روش خرپا که در این بخش توضیح داده می شود جزو دسته دوم (پایدارسازی با استفاده از المان های خارج از خاک) می باشد.

خرپا، المانی سازه ای می باشد که از اعضای محوری و اتصالات مفصلی تشکیل شده است. طبق تعریف، در خرپا نیروها الزاماً بر مفاصل وارد شده و نیرویی بر خود اجزای سازه ای خرپا وارد نمی گردد. اتصالات بصورت مفصلی بوده و در این نوع اتصال لنگر خمشی منتقل نمی شود. با این وجود در تعاریف ژئوتکنیکی، مفهوم خرپا متفاوت می باشد. نمونه ای از اجرای خرپا به منظور پایدارسازی خاک در شکل زیر نشان داده شده است.

با مقایسه تعریف ذکر شده در خصوص خرپا و شکل نشان داده شده از سازه نگهبان خرپایی، ملاحظه می گردد که تفاوت جدی بین خرپا در مفهوم سازه ای و خرپا از منظر ژئوتکنیکی وجود دارد. در سازه نگهبان خرپایی که در مهندسی ژئوتکنیک تعریف می گردد، مفاصل عمدتاً گیردار بوده و از طرف دیگر نیرو بر طول المان وارد می گردد. در مهندسی ژئوتکنیک، عملکرد سازه نگهبان خرپایی از نظر سازه ای با عملکرد قاب تناسب بیشتری دارد. با این وجود بواسطه شکل ساختاری آن در مهندسی ژئوتکنیک به این نوع از سازه، خرپا گفته می شود. شمای کلی سازه نگهبان خرپایی در شکل زیر نمایش داده شده است. عموماً یک سازه خرپایی را می توان شامل اجزای زیر دانست: 1. المان های قائم (شمع های قائم مجاور دیوار گود)، 2. المان های مایل (معمولاً با زاویه 30 الی 45 درجه نسبت به المان های قائم قرار می گیرد)، 3. اعضای قطری (بین المان قائم و المان مایل)، 4. شمع زیر المان قائم، 5. پی سطحی زیر المان مایل، 6. المان های بادبندی و یا افقی بین خرپا ها (جهت جلوگیری از کمانش جانبی خرپا)، 7. المان های روی دیوار گود بین خرپا ها (جهت جلوگیری از ناپایداری موضعی خاک بین المان های خرپایی). در ادامه مراحل طراحی و اجرای خرپا ذکر می گردد:

طراحی خرپا:

طراحی المان های سازه ای خرپا عمدتاً با استفاده از نرم افزار SAP صورت می پذیرد. در طراحی المان های سازه ای کنترل می شود که تحت بارهای اعمالی به خرپا، المان های سازه ای دچار گسیختگی نشود. در این تحلیل، بار اعمالی به خرپا از طرف خاک بوده و با توجه به میزان جابجایی پیش بینی شده برای خاک، می تواند فشار اکتیو، سکون و در بعضی موارد خاص فشار پسیو در نظر گرفته شود. پس از تحلیل سازه ای خرپا، تحلیل عملکردی با بهره گیری از نرم افزارهای عددی (عمدتاً PLAIXS) صورت می پذیرد. هدف از این تحلیل کنترل میزان جابجایی خاک پس از اجرای خرپا و گودبرداری می باشد. هدف از تحلیل عملکردی دو موضوع می باشد. اول آنکه جابجایی خاک پس از اجرای گود در حدی باشد که سازه مجاور گود دچار خرابی نشود. دوم آنکه فشار ناشی از خاک که در بخش طراحی با استفاده از نرم افزار SAP استفاده گردید، در این بخش بر اساس مقادیر جابجایی دیوار گود اصلاح گردد و مجدداً در تحلیل نرم افزار SAP به کار گرفته شود. بر اساس نتایج تحلیل، نقشه های اجرایی از سازه خرپایی تهیه می گردد.

مراحل اجرا:

مرحله اول: اجرای چاه در مجاورت دیوار گود

در این مرحله بر اساس نقشه های اجرایی حاصل از طراحی، حفر چاه در محل اعضای قائم صورت می پذیرد. عمق چاه برابر با مجموع عمق گود و طول شمع در نظر گرفته می شود. در نبود محاسبات دقیق معمولاً طول شمع یک سوم تا یک چهارم عمق گود لحاظ می گردد. از آنجا که عمدتاً حفاری چاه ها با روش های دستی صورت می پذیرد، قطر چاه معمولاً 80 الی 100 سانتیمتر در نظر گرفته می شود. در شکل زیر نمایی از اجرای مرحله اول نمایش داده شده است.

مرحله دوم: قرار دادن پروفيل قائم و قفسه آرماتور و بتن ريزي

همانطور که اشاره گردید، بر اساس نتایج طراحی، ابعاد پروفیل ها مشخص می گردد. در این مرحله در محدوده شمع، قفسه آرماتور به پروفیل وصل شده و مجموعه پروفیل و شمع داخل چاه قرار داده می شوند. زمان قراردادن پروفیل داخل چاه دقت می گردد که تا حد امکان پروفیل به دیوار گود چسبانده شود. پس از قرار دادن پروفیل، محدوده شمع بتن ریزی شده و در ادامه تا سطح زمین، حدفاصل پروفیل و دیوار گود توسط خاک و یا مصالح مناسب پر می گردد.

مرحله سوم: خاكبرداري ديواره گود با شيب پايدار

پس از اجرای المان قائم و شمع در مرحله قبل، اطمینان نسبی از پایداری گود برای شروع خاکبرداری ایجاد می گردد. در این مرحله، خاکبرداری تا کف گود با شیب تقریبی 1 به 2 صورت می پذیرد. در شکل های زیر اجرای این مرحله نمایش داده شده است.

مرحله چهارم: اجراي پي سطحي براي عضو مايل خرپا

پس از گودبرداری، فشار جانبی مرحله به مرحله به المان سازه ای قائم وارد می گردد. این فشار بصورت لنگر خمشی، نیروی محوری و نیروی برشی به عضو مایل منتقل می گردد. بر اساس تحلیل ها عمده فشار منتقل شده در عضو مایل بصورت نیروی محوری ظاهر می گردد. نیروی محوری در عضو مایل در محل اتصال به زمین به دو مولفه قائم و افقی تبدیل می گردد. وجود پی سطحی در زیر عضو مایل به انتقال نیروی قائم به زمین کمک می کند. از طرف دیگر مولفه افقی نیرو موجب اسلایدینگ (سر خوردن پی) روی سطح زمین می گردد. لذا وجود پی در زیر عضو مایل با عمق مدفون مناسب از وقوع این مسئله جلوگیری می نماید. در شکل زیر اجرای پی سطحی نشان داده شده است. پی سطحی مسلح بوده و ابعادی در حدود 1 متر در 1 متر در 0/5 متر دارد. مقاومت و اسلامپ بتن شمع و شالوده به ترتیب حدود 25 مگاپاسکال و 15 سانتیمتر می باشد.

مرحله پنجم: اجراي عضو مايل خرپا

پس از اطمینان از مقاومت کافی بتن در پی سطحی، عضو مایل خرپا نصب می گردد. ابعاد این المان بر اساس طراحی مشخص شده است و معمولاً با استفاده از اتصالات گیرداری و یا نیمه گیرداری به عضو قائم و پی سطحی متصل می گردد. پیش از اجرای عضو مایل، در مرحله قبل در پی سطحی صفحه انتظار نصب شده است.

مرحله ششم: خاکبرداری بصورت مرحله ای و نصب المان های قطری

در اجرای خرپا روند کلی به این صورت می باشد که پس از حذف خاک در هر مرحله، المانی سازه ای جایگزین می گردد که سختی حذف شده را جبران نماید. در این مرحله نیز پس از اجرای المان مایل، خاکبرداری بصورت مرحله به مرحله صورت می پذیرد و پس از خاکبرداری در هر مرحله، المان قطری نصب می گردد.

مرحله هفتم: اجرای المان های سازه ای روی دیوار گود

با توجه به فاصله خرپا ها از یکدیگر، ناپایداری موضعی خاک در بین خرپا ها محتمل می باشد. لذا اجرای المان های سازه ای بین خرپا ها ضروری است. المان های سازه ای می تواند به روش های گوناگون و با مصالح مختلف اجرا گردد. استفاده از بتن شاتکریت، اجرای بادبند روی دیواره، استفاده از آجر و همچنین استفاده از الوارهای چوبی از متداول ترین روش ها در این زمینه می باشد. در شکل زیر نمونه ای از این روش ها ارائه شده است.

مرحله هشتم: کنترل کمانش جانبی خرپا

همانطور که اشاره گردید، نیروی محوری در المان های مایل خرپا قالب می باشد. وجود نیروی محوری، امکان کمانش در خرپا را محتمل می کند. لذا مهار نمودن خرپا در جهت خارج از صفحه آن ضروری می باشد. عموماً برای این منظور از المان های افقی و یا بادبندی در خرپا بهره گرفته می شود. در شکل زیر نمونه ای از اجرای المان بادبندی نمایش داده شده است.

روش های دیگر اجرای خرپا

مراحل ذکر شده در فوق، روش اصولی در اجرای خرپا می باشد. با این وجود در برخی از موارد، اجرا طبق روش فوق بسیار زمانبر بوده و از طرف دیگر منتج به اشغال بیش از حد فضای کارگاه می گردد. لذا در این موارد روش های جایگزینی به کار گرفته می شود که البته مورد تایید این شرکت نمی باشد.

یک روش جایگزین اشتباه در اجرای خرپا، ساخت المان خرپا در محدوده کارگاه و سپس گودبرداری تا تراز کف گود و نهایتاً نصب خرپا روی دیوار گود می باشد. در این حالت عملاً خرپا پس از جابجایی اولیه دیوار گود نصب می گردد و عملکرد مطلوبی نخواهد داشت.

روش دیگر در اجرا، حذف خاک در ناحیه قرارگیری خرپا و نصب خرپا می باشد. در این حالت پس از نصب خرپاها، خاک بین آنها حذف می گردد. در شکل زیر نمونه ای از اجرا به این حالت ارائه شده است.

مواردی همچون: اشغال بیش از حد فضا توسط این تکنیک، الزام برداشت بخشی از خاک بصورت دستی و همچنین محدودیت در عمق اجرا، از ضعف های اصلی اجرای سازه نگهبان خرپایی می باشد. معمولاً برای اجرای این تکنیک برای عمق بیش از 10 متر، ابعاد پروفیل ها زیاد شده و سبب غیر اقتصادی شدن طرح سازه نگهبان می گردند. از طرف دیگر برای اعماق بیش از 10 متر، میزان پیش آمدگی عضو مایل به داخل گود مشکلات جدی در اجرای فونداسیون و ستون گذاری سازه اصلی ایجاد می نماید.

عموماً در پروژه هایی که نیاز به اجرای سازه نگهبان می باشد. در زمان اخذ جوازساخت، انتخاب شرکت و آزمایشگاه خاک و بتن ضروری است. آزمایشگاه خاک و بتن با اجرای گمانه و نمونه گیری از خاک محدوده پروژه، به ارزیابی پارامترهای مقاومتی خاک محدوده پروژه می پردازد. پارامترهای مقاومتی خاک از جمله چسبندگی و زاویه اصطکاک و پارامترهای عملکردی خاک از جمله مدول الاستیسیته، از جمله موارد اصلی می باشد که توسط آزمایشگاه خاک و بتن مشخص می گردد. ارزیابی دقیق این پارامترها به منظور طراحی سازه نگهبان و پیش از اجرای آن ضروری می باشد. آزمایشگاه خاک و بتن کاوش مهار البرز افتخار دارد که در سال های اخیر خدمات آزمایشگاهی متنوعی در خصوص مطالعات خاک و بتن در استان البرز و شهر کرج ارائه دهد. نمونه ای از فعالیت آزمایشگاه خاک و بتن کاوش مهار البرز در سال 1397 و همچنین فعالیت آزمایشگاه خاک و بتن کاوش مهار البرز در سال 1398 در این سایت ارائه شده است. رزومه کاری این شرکت در زمینه گودبرداری نیز در بخش پروژه ها معرفی شده است.